摘要：为快速地、大范围地对天然气管道进行泄漏监测，设计了基于静态傅里叶变换干涉系统的甲烷气体浓度遥测系统。采用对准甲烷分子吸收峰的红外光源照射被测区域，再由聚光准直系统和干涉模块完成干涉条纹的获取。最后，通过多特征波长光谱分析算法计算被测区域的浓度程长积，进而反演相应的甲烷浓度。通过HIT RAN 光谱数据库选择了１.65μm 的主特征吸收峰，从而光源使用1.６５μm 的DFB 激光器。为了在不增加系统硬件结构的基础上提高检测精度及稳定性，引入辅助波长求解吸光度比值，进而通过多特征波长比例运算的方法获得被测气体的浓度程长积。实验针对泄漏速度恒定的标准甲烷液化气罐检测，采用PN 1000型便携式甲烷检测仪的检测数据作为标准数据与本系统的测试数据进行对比，测试距离分别为100m，200m。实验结果显示，甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后，系统检测值也基本保持稳定。对100m 的检测距离而言，浓度程长积的检测误差小于1.０％。随着测试距离的增大，检测误差也相应的增大。总之，在气体泄露稳定后系统检测误差均小于５.０％，满足野外天然气泄漏遥测要求，该方法采用差分思想，在求解吸光度比率的过程中将误差消除，降低了外界干扰造成的误差，从而提高系统的检测精度及稳定性。
关键词：遥测；天然气泄漏；波长光谱
天然气的用量随着我国经济的快速发展不断增大，相应的天然气管道也越来越多。管道常常因为环境、人为等原因而造成损坏，当管道发生破裂、老化等现象时，会在泄漏点附近产生天然气云团。由于其暴露在空气之中，当遇到明火将是极其危险的关于天然气泄漏的爆炸事件屡见不鲜，所以研究一种可以快速大范围遥测天然气管道泄漏的系统具有重要意义。
常用的天然气泄漏监测方法有火焰电离检测法、催化燃烧法、热导率法、半导体传感器法、光纤测漏法、声波测漏法、激光谐波检测法和红外吸收法等。其中，火焰电离检测法是美国地面气体捡漏的主要手段，其灵敏度高、稳定性好，但检测环境需要较高的氧浓度，所以不适用埋地管道；催化燃烧法适用于大部分可燃气体，但在高浓度气体下灵敏度会大幅下降，产生“中毒”现象；热导率法稳定性好、寿命长，但灵敏度低，常常不能满足低浓度泄漏的检测要求；半导体传感器法灵敏度高、反应快，但对多种气体都有明显反应容易受干扰，且湿度对检测效果有较大影响；光纤测漏法检测范围广、精度高，但成本高、易受损；声波测漏法结结构简单、成本低，但大部分采用手持式结构，不适合大范围检测；激光谐波检测法检测精度高、距离远，但系统复杂、成本高；红外吸收法检测精度略低于激光谐波法，但由于不采用波长对准，所以精度受特征波长选择的影响。综上所述，各种方法各有利弊，本工作采用多特征波长光谱分析算法优化了红外吸收法，实现了大范围长距离天然气泄漏的快速监测。
一、系统设计
由于天然气中的主要成分为甲烷，所以光源采用中心波长在１.６５μm 处的红外激光器，使激光中心波长对准气体特征吸收峰。系统采用静态傅里叶变换干涉结构，对回波红外辐射进行干涉分析，再结合比尔朗伯定律反演待测区域是否存在甲烷泄漏及其浓度。当没有天然气泄漏时，系统采集背景光的光谱辐射，这时回波激光强度基本不受大气环境的影响。当存在泄漏时，管道附近会产生甲烷气体云团，对１.６５μm 激光产生强吸收，使回波信号辐强度大大降低，再由光谱数据库及分析算法可以求解出被测云团的浓度程长积，进而获得泄漏的浓度速度等信息。
二、多特征波长分析算法
由于户外检测影响因素众多，例如背景杂散光，环境中其他气体的影响等都会导致定量中产生误差。所以，仅仅通过单个特征波长计算甚至容易产生粗大误差，而采用多特征波长分析算法可以有效地避免由于环境因素等造成的误差。该算法在采用１.６５μm 主特征吸收峰的基础上再选用２～４个波长，用于辅助计算。因为对于甲烷而言，红外吸收谱是一定的，即任意两个波长的吸光度是成比例的，也是差分光学定量检测的基本思路。
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（一）特征波长选取的条件
特征波长的个数选取太少会失去其辅助主波长降噪的优势，而个数太多会使计算量大幅增加，形成赘余运算，采用３～５个即可。特征波长的选取原则是使回波数据信噪比尽量高，也就是主信号与辅助信号的差分效果尽量好，同时，辅助波长受其他气体的影响尽可能的小。为了得到以上效果，可以从被选取特征波长的相关系数Cor（λ１，λ２）及幅值比ρλ两个方面计算分析，其中，σλ１和σλ２为两波长的方差，E ０（λ１）和E ０（λ２）为激光总辐射中λ１和λ２波长处所占的辐射能量，E（λ１）和E（λ２）为回波中λ１和λ２波长处所占的辐射能量。实验过程中，取相关系数大于0.95，幅值比大于０.８，即可获得较理想的信噪比。
（二）多特征波长分析算法的步骤
分析算法的主要步骤有：（１）将获得的干涉条纹量化后作傅里叶变换求得光谱分布函数，对该光谱分布数据进行滤波、降噪等预处理；（２）通过波长相关系数分析各波长之间的相关度，选择相关度大于０.９５的多个波长，作为待选特征波长；（３）分别用待选特征波长与主特征吸收波长（１.６５μm）进行吸光度幅值比例计算，将幅值比大于０.８的特征波长保留作为多特征波长分析算法的特征峰；（４）用已选定的特征波长组建立识别模型，将背景谱代入模型中，对标准浓度的甲烷气体进行测试，获得标定修正系数；（５）将标定修正系数代入模型，结合实时更新的背景谱信息求解目标区域的甲烷泄漏情况。
三、实验部分
被测气体由浓度为１０％的标准甲烷液化气罐提供，泄漏速度大约为３０kg／h，系统距泄漏点分别取100m，200m，泄漏位置上采用PN1000型便携式甲烷检测仪（检测范围：０～5000pp m）检测甲烷浓度作为标准值。由于在户外进行实验，为了减小由于环境造成的误差，选择在无风的时候进行实验。
1.甲烷多特征波长
甲烷主要特征吸收波长有1.33，1.65，3.3，6.5和7.6μm等，虽然近红外吸收区的吸收线强度之比远逊于中红外波段。但中红外激光器、探测器及光学系统价格昂贵所以出于实际应用的角度选择1.65μm作为主特征吸收波长，而该波长位置还能较好的满足大气中低损耗传输窗口的特性。则通过HITRAN光谱数据库，可得1.65μm附近甲烷吸收线强度
2.结果及分析
通过实验求得不同距离、不同泄漏时间的浓度程长积，再通过计算反演对应位置的浓度信息，
根据测量出来的数据可知，随着甲烷液化气罐持续均匀地释放，探测器位置处浓度不断上升，当经过５min后被测位置的甲烷浓度基本保持稳定。采用PN1000型甲烷探测器作为标准值，对本系统的测试数据进行分析。根据实验数据的误差分布情况可知，刚开始泄漏甲烷气体时，检测数据误差较大，其主要原因是甲烷气体分布上不均匀。当泄露一段时间后，被测位置上的甲烷气体浓度相对稳定，从而检测数据误差也有所下降，对100m的检测距离而言，浓度程长积误差小于１.０％。而随着测试距离的增大，对检测结果有一定影响，误差会随着距离的增大而增大，分析其原因有杂散光影响、空气中其他气体的干扰等。总体而言，在稳定后系统检测误差均小于５％，可实现对天然气管道的远距离大范围监测。
结语
设计了一种用于快速监测野外天然气管道泄露的甲烷气体浓度遥测系统。由具有甲烷特征吸收波长的红外光源、准直系统及干涉模块构成。实验监测泄漏速度恒定的甲烷液化气罐，系统距泄漏源分别为100，200m，检测结果与 PN1000型便携式甲烷检测仪的检测数据做比较显示，甲烷浓度检测值在泄漏一段时间稳定后，系统检测值也基本保持稳定，随着测试距离的增大，检测误差相应的增大。综上所述，系统各种距离位置上检测误差均小于５.０％，可以实现天然气泄漏的有效监测。
参考文献：
［1］李静.鲁旭涛.杨泽辉.《光谱学与光谱分析》2014.
论文作者:徐春林,丘发秀,方子杰,叶章评
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/19
标签：波长论文; 甲烷论文; 浓度论文; 特征论文; 误差论文; 气体论文; 系统论文; 《基层建设》2019年第13期论文;